誘導(dǎo)輪出口參數(shù)對(duì)高速離心泵性能的影響

李惠敏,李向陽(yáng),蔣建園,張 聃

(西安航天動(dòng)力研究所,陜西 西安 710100)

0 引言

泵的功能是將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為流體壓力能,那么對(duì)泵的主要要求是保證所需的揚(yáng)程、效率。而對(duì)于在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用的泵,對(duì)泵的抗汽蝕性能提出了很高的要求。當(dāng)泵的抗汽蝕性能較差時(shí),就需要增大推進(jìn)劑貯箱的增壓壓力,或者降低渦輪泵轉(zhuǎn)速,這樣會(huì)使動(dòng)力裝置的質(zhì)量增大。通常火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵在離心輪進(jìn)口加裝誘導(dǎo)輪來(lái)提高泵的抗汽蝕性能,因此誘導(dǎo)輪的設(shè)計(jì)方案及可靠性就顯得尤為重要。隨著誘導(dǎo)輪的廣泛應(yīng)用,國(guó)內(nèi)外對(duì)誘導(dǎo)輪的研究逐漸增多[1-9],Jakobsen對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)泵誘導(dǎo)輪的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行較為全面的概括[1],日本大阪大學(xué)對(duì)H-II火箭的LE-7氧泵研究發(fā)現(xiàn)誘導(dǎo)輪前吸入管的幾何尺寸對(duì)泵的抗汽蝕性能影響顯著[2]。國(guó)內(nèi)相關(guān)研究主要集中在以下幾個(gè)方面：誘導(dǎo)輪關(guān)鍵幾何參數(shù)的確定方法及其設(shè)計(jì)步驟[10-15],誘導(dǎo)輪葉片進(jìn)口安放角對(duì)誘導(dǎo)輪空化性能的影響[16],誘導(dǎo)輪輪轂形狀對(duì)誘導(dǎo)輪性能的影響[17]；變螺距誘導(dǎo)輪中控制型線變化的角度變化系數(shù)對(duì)誘導(dǎo)輪性能的影響[18]；高速離心泵誘導(dǎo)輪與離心輪的匹配性[19-20]，誘導(dǎo)輪過(guò)流部件優(yōu)化設(shè)計(jì)[21-27]等。本文以一臺(tái)高速誘導(dǎo)輪離心泵為例,針對(duì)其抗汽蝕性能偏低的問(wèn)題,重點(diǎn)研究了誘導(dǎo)輪出口參數(shù)對(duì)離心泵抗汽蝕性能的影響,根據(jù)理論分析提出改進(jìn)方案,并對(duì)誘導(dǎo)輪離心泵流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,了解誘導(dǎo)輪出口參數(shù)對(duì)泵內(nèi)部液體流動(dòng)狀態(tài)及泵外特性的影響,最后在試驗(yàn)室進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)表明在相同葉輪外形尺寸條件下,按照文中提出的設(shè)計(jì)方法調(diào)整誘導(dǎo)輪出口參數(shù),雖然泵的效率和揚(yáng)程略有降低,但泵的抗汽蝕性能大幅提高。

1 初始方案誘導(dǎo)輪離心泵性能

本文研究的誘導(dǎo)輪離心泵,額定流量859 m3/h,設(shè)計(jì)要求額定流量下?lián)P程840 m,效率0.73,臨界汽蝕余量≤11 m(相應(yīng)的汽蝕比轉(zhuǎn)速為3 000)。由于系統(tǒng)要求泵入口為徑向入口,在不配置誘導(dǎo)輪的情況下,該類型高速離心泵汽蝕比轉(zhuǎn)速通?？蛇_(dá)800～1 000,由于該高速泵對(duì)抗汽蝕性能要求很高,因此必須配備誘導(dǎo)輪。初始方案誘導(dǎo)輪離心泵在額定流量下的揚(yáng)程達(dá)到867 m,泵效率達(dá)到0.80,臨界汽蝕余量13.4 m,誘導(dǎo)輪離心泵設(shè)計(jì)參數(shù)與實(shí)際參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。其中泵的臨界汽蝕余量對(duì)應(yīng)泵汽蝕斷裂工況,即在該流量下不斷降低泵入口壓力,當(dāng)泵的揚(yáng)程下降2.5%時(shí)對(duì)應(yīng)的裝置汽蝕余量。從表1可以看出誘導(dǎo)輪離心泵的揚(yáng)程和效率均高于要求值,但抗汽蝕性能較設(shè)計(jì)要求值低。

表1 誘導(dǎo)輪離心泵設(shè)計(jì)參數(shù)與實(shí)際參數(shù)對(duì)比
Tab.1 Comparison of design parameters and actual parameters of pump

方案額定流量下?lián)P程/m額定流量下效率臨界汽蝕余量/m汽蝕比轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)要求值8400.7311.03000實(shí)際值8670.8013.42550

本文研究的誘導(dǎo)輪離心泵為液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)用泵,其對(duì)抗汽蝕性能有特別嚴(yán)格的要求。泵的研制經(jīng)驗(yàn)表明,誘導(dǎo)輪離心泵發(fā)生汽蝕時(shí),泵存在某個(gè)臨界汽蝕余量值,它對(duì)應(yīng)汽蝕發(fā)展的特定階段,并影響泵的工作性能。泵的汽蝕特性曲線如圖1所示,圖1中Δhi為初始發(fā)生器時(shí)工況,對(duì)應(yīng)于汽蝕產(chǎn)生、開(kāi)始情形;ΔhI為第一臨界工況,對(duì)應(yīng)于泵揚(yáng)程(效率)開(kāi)始下降點(diǎn)，離心輪出口的速度場(chǎng)開(kāi)始改變,或泵的能量損失發(fā)生改變;ΔhII為第二臨界工況,對(duì)應(yīng)于揚(yáng)程劇烈下降點(diǎn)，泵超汽蝕發(fā)生之前的狀態(tài),汽穴長(zhǎng)度急劇增大之前的狀態(tài);ΔhIII為第三臨界工況(超汽蝕),對(duì)應(yīng)于汽蝕能量裕量的某個(gè)最小值,嚴(yán)重汽蝕階段,汽穴包覆整個(gè)葉片長(zhǎng)度,并超出其出口截面。

圖1 泵汽蝕特性曲線Fig.1 Pump cavitation characteristic curve

液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)用泵和常規(guī)泵的使用要求不同,因而其對(duì)抗汽蝕性能的要求也不同。液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)所用泵的工作壽命為數(shù)十分鐘,而常規(guī)泵的壽命需達(dá)到上萬(wàn)小時(shí)。對(duì)于常規(guī)泵，為保證其長(zhǎng)壽命,對(duì)泵的揚(yáng)程(效率)及汽蝕侵蝕要求更高,且由于其為地面設(shè)備，對(duì)產(chǎn)品重量及尺寸無(wú)嚴(yán)格要求,泵通常轉(zhuǎn)速較低、尺寸較大,一般設(shè)計(jì)在第一臨界工況前工作(Δh>ΔhI),對(duì)應(yīng)離心輪進(jìn)口無(wú)水擊(i=0)或水擊較小,此時(shí)離心輪汽蝕侵蝕較少,且泵具有最大效率。對(duì)于液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)泵,工作時(shí)間較短,且由于是上天產(chǎn)品，對(duì)產(chǎn)品重量及尺寸要求很高,泵通常轉(zhuǎn)速較高、尺寸較小,一般設(shè)計(jì)在潛在汽蝕工況下工作,對(duì)應(yīng)離心輪進(jìn)口存在水擊,因此斷裂工況是其最重要的工況,它決定泵的工作能力邊界(Δh>ΔhII),即對(duì)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)泵流道的重要要求是保證其具有按斷裂汽蝕工況評(píng)估的抗汽蝕性能。初始方案抗汽蝕性能不滿足設(shè)計(jì)要求,縮小了誘導(dǎo)輪離心泵可靠工作的邊界,必須對(duì)誘導(dǎo)輪離心泵設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)整。

2 誘導(dǎo)輪離心泵設(shè)計(jì)參數(shù)分析

如前所述,該誘導(dǎo)輪離心泵實(shí)際揚(yáng)程和效率均高于設(shè)計(jì)要求,但抗汽蝕性能不滿足設(shè)計(jì)要求。誘導(dǎo)輪離心泵的揚(yáng)程主要取決于離心輪,而汽蝕特性主要取決于誘導(dǎo)輪。初始方案誘導(dǎo)輪離心泵的揚(yáng)程特性滿足要求,抗汽蝕性能不滿足,說(shuō)明離心輪設(shè)計(jì)參數(shù)是合理的不需要更改,誘導(dǎo)輪的設(shè)計(jì)參數(shù)不合理需要進(jìn)行改進(jìn)。

初始方案誘導(dǎo)輪設(shè)計(jì)時(shí)借鑒常規(guī)誘導(dǎo)輪離心泵設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)：入口沖角為3°(變螺距誘導(dǎo)輪一般推薦范圍3°～4°);入口流量系數(shù)為0.114(一般推薦范圍0.06～0.15);葉柵稠度為3(對(duì)于3個(gè)葉片誘導(dǎo)輪一般推薦≥2.2);誘導(dǎo)輪出口角14.91°(對(duì)應(yīng)離心輪入口沖角接近零,此時(shí)能獲得更高的效率)。誘導(dǎo)輪入口沖角、入口流量系數(shù)和葉柵稠度決定了誘導(dǎo)輪自身的抗汽蝕性能,這3個(gè)參數(shù)均在推薦范圍內(nèi),說(shuō)明誘導(dǎo)輪自身抗汽蝕性能沒(méi)有問(wèn)題。誘導(dǎo)輪出口角(β2l)是誘導(dǎo)輪葉片出口結(jié)構(gòu)參數(shù),它與出口導(dǎo)程S2(在一個(gè)圓周長(zhǎng)度上螺旋線的軸向位移量)的關(guān)系可用β2l表示。誘導(dǎo)輪出口角的選取,會(huì)影響離心輪的抗汽蝕性能,而初始方案設(shè)計(jì)時(shí)并未考慮到這點(diǎn),按照常規(guī)泵設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),主要從提高泵效率角度考慮選取了較大的誘導(dǎo)輪出口角,這可能導(dǎo)致離心輪抗汽蝕性能偏低。

在帶誘導(dǎo)輪離心泵中誘導(dǎo)輪的功能是提高離心輪入口壓力,保證離心輪在無(wú)壓頭跌落的工況下工作,使得離心輪能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。誘導(dǎo)輪設(shè)計(jì)時(shí)首先保證誘導(dǎo)輪不發(fā)生汽蝕斷裂,其產(chǎn)生的揚(yáng)程只要保證離心輪不發(fā)生汽蝕即可,于是帶誘導(dǎo)輪的離心泵中對(duì)誘導(dǎo)輪就只要求給出較低的壓頭值。根據(jù)上面要求得到誘導(dǎo)輪揚(yáng)程計(jì)算公式

ΔhcpB+Hin-ΔHin=ΔhcpB.1

(1)

式中：ΔhcpB為誘導(dǎo)輪的壓頭汽蝕裕量;Hin為無(wú)汽穴影響時(shí)誘導(dǎo)輪的揚(yáng)程;ΔHin為出現(xiàn)汽穴時(shí)誘導(dǎo)輪的揚(yáng)程下降值;ΔhcpB.1為離心輪的壓頭汽蝕裕量。

工作時(shí)的泵入口壓力值大于誘導(dǎo)輪發(fā)生揚(yáng)程跌落時(shí)的壓力,在該入口壓力下誘導(dǎo)輪可能存在潛在汽蝕,但不存在揚(yáng)程斷裂,此時(shí)誘導(dǎo)輪建立的壓頭足以保證離心葉輪在無(wú)壓頭跌落的工況下工作。隨著入口壓力的降低,當(dāng)誘導(dǎo)輪出現(xiàn)壓頭跌落時(shí),離心輪同時(shí)出現(xiàn)壓頭跌落。即按上述規(guī)則設(shè)計(jì)出來(lái)的帶誘導(dǎo)輪離心泵的抗汽蝕性能就由誘導(dǎo)輪決定。

根據(jù)誘導(dǎo)輪揚(yáng)程計(jì)算公式,由公式(1)得到

(2)

其中

式中：ηin為誘導(dǎo)輪水力效率,ηin=0.4～0.5;λcpB.1為離心葉輪的汽蝕系數(shù),λcpB.1=0.08～0.14;C2ucp為誘導(dǎo)輪出口平均直徑處液流的周向分速;ucp為誘導(dǎo)輪平均直徑處圓周速度;w1為離心輪入口相對(duì)速度;c1m為離心輪入口軸向流速。

根據(jù)離心輪入口速度三角形可以得出

(3)

式中：u1為離心輪入口圓周速度;c1u為離心輪入口液流的周向分速。

假設(shè)誘導(dǎo)輪與離心葉輪之間沒(méi)有損失,且流動(dòng)服從等環(huán)量定律c1ur=const,則有

c1u=c2ucpDcp/D1

(4)

式中:Dcp為誘導(dǎo)輪平均直徑;D1為離心輪入口直徑。

根據(jù)公式(2)～(4)可以得到

(5)

圖2 確定誘導(dǎo)輪出口液流周向分速的作圖法Fig.2 A drawing method for determining the circumferential component velocity of liquid flow at the outlet of the inducer

3 誘導(dǎo)輪改進(jìn)方案

3.1 改進(jìn)方案

根據(jù)前面的分析,誘導(dǎo)輪的產(chǎn)生揚(yáng)程只要保證離心輪不發(fā)生汽蝕即可。在滿足離心輪不發(fā)生汽蝕的基礎(chǔ)上,誘導(dǎo)輪的揚(yáng)程越高,離心輪的入口預(yù)旋越大,離心輪的抗汽蝕性能越差,誘導(dǎo)輪離心泵的抗汽蝕性能反而會(huì)降低。表2給出了初始方案誘導(dǎo)輪設(shè)計(jì)參數(shù)(以下簡(jiǎn)稱方案1),表2同時(shí)按照公式(2)計(jì)算了離心輪不發(fā)生汽蝕所需誘導(dǎo)輪出口參數(shù)。從表中可以看出初始方案誘導(dǎo)輪揚(yáng)程滿足使用要求(表中誘導(dǎo)輪的揚(yáng)程系數(shù)可以通過(guò)公式(3)計(jì)算),誘導(dǎo)輪出口液流周向分速在根據(jù)圖2確定的出口液流周向分速范圍內(nèi)。但初始方案(方案1)誘導(dǎo)輪揚(yáng)程和出口液流周向分速較所需最小值高出較多,對(duì)應(yīng)離心輪入口預(yù)旋較大,這會(huì)導(dǎo)致泵抗汽蝕性能降低。根據(jù)前述誘導(dǎo)輪所需揚(yáng)程理論提出了改進(jìn)方案(以下簡(jiǎn)稱方案2),減小誘導(dǎo)輪出口安放角,降低誘導(dǎo)輪揚(yáng)程,從而使得誘導(dǎo)輪出口液流周向分速降低(即離心輪入口預(yù)旋減小)?？紤]到實(shí)際產(chǎn)品生產(chǎn)偏差,方案2誘導(dǎo)輪出口參數(shù)較所需最小參數(shù)略高。誘導(dǎo)輪揚(yáng)程系數(shù)

(6)

式中ut為誘導(dǎo)輪葉尖速度,m/s。

表2 不同方案誘導(dǎo)輪設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比
Tab.2 Comparison of design parameters of different inducer schemes

方案出口安放角β2l/(°)揚(yáng)程系數(shù)ψ出口相對(duì)液流周向分速c-2ucp需要最小出口相對(duì)液流周向分速c-2ucpmin允許最大出口相對(duì)液流周向分速c-2ucpmax方案114.910.1500.5520.4800.751方案213.490.1370.5030.4800.751

3.2 改進(jìn)方案仿真分析

為進(jìn)一步研究誘導(dǎo)輪離心泵內(nèi)流動(dòng)特性,對(duì)方案1和方案2誘導(dǎo)輪離心泵分別建立三維模型進(jìn)行相應(yīng)的流場(chǎng)計(jì)算。計(jì)算流體域包含進(jìn)口管、誘導(dǎo)輪、離心輪、蝸殼及出口管,不帶離心輪前后泄漏通道。兩種方案除誘導(dǎo)輪外,其余過(guò)流部件均相同。為提高計(jì)算精度,在進(jìn)口、出口管直管段采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,在誘導(dǎo)輪、離心輪等復(fù)雜扭曲型面部位采用對(duì)復(fù)雜邊界適應(yīng)性強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格,網(wǎng)格總數(shù)約400萬(wàn)。采用雷諾時(shí)均方法(RANS),采用RNGk-ε湍流模型對(duì)誘導(dǎo)輪離心泵進(jìn)行流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。計(jì)算介質(zhì)為25 ℃清水,在計(jì)算域進(jìn)口給定壓力,出口給定流量。所有壁面采用無(wú)滑移邊界條件,誘導(dǎo)輪與進(jìn)口管、離心輪與蝸殼轉(zhuǎn)靜交界面數(shù)據(jù)傳遞采用凍結(jié)轉(zhuǎn)子模型。計(jì)算得到泵內(nèi)部流線圖如圖3所示,泵外特性結(jié)果如表3所示。

對(duì)比不同方案誘導(dǎo)輪離心泵外特性仿真計(jì)算結(jié)果(表3),可以看出由于方案2較方案1誘導(dǎo)輪出口螺距減小,誘導(dǎo)輪揚(yáng)程降低,泵揚(yáng)程降低。對(duì)比不同方案誘導(dǎo)輪離心泵內(nèi)部流動(dòng)情況(見(jiàn)圖3),方案2離心輪入口攻角增大,誘導(dǎo)輪至離心輪段流體轉(zhuǎn)折增大,導(dǎo)致離心輪入口沖擊損失增大,泵水力效率降低,泵揚(yáng)程降低(結(jié)果見(jiàn)表3)。根據(jù)以往產(chǎn)品經(jīng)驗(yàn),離心輪入口攻角在5°～15°范圍內(nèi),攻角對(duì)泵汽蝕性能影響很小,方案2較方案1誘導(dǎo)輪出口角減小1.4°,相應(yīng)的離心輪入口攻角增加幅度較小,應(yīng)對(duì)泵的汽蝕性能影響不大。

圖3 不同方案泵內(nèi)流動(dòng)情況Fig.3 The fluid flow condition in pump of different inducer-centrifugal pump schemes

表3 不同方案泵性能
Tab.3 Performance characteristic of different inducer centrifugal pump schemes

方案誘導(dǎo)輪出口總壓/MPa誘導(dǎo)輪出口靜壓/MPa泵水力效率泵揚(yáng)程/MPa方案11.681.180.888.78方案21.360.960.8688.55

4 性能試驗(yàn)

對(duì)分別采用上述兩種方案變螺距誘導(dǎo)輪的離心泵開(kāi)展試驗(yàn)研究,試驗(yàn)介質(zhì)為常溫清水。下面對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

4.1 抗汽蝕性能

圖4 不同方案誘導(dǎo)輪離心泵的汽蝕特性曲線Fig.4 Cavitation characteristic curves of different inducer-centrifugal pump schemes

4.2 水力性能

圖5 不同方案泵揚(yáng)程曲線Fig.5 Head characteristic curves of different pump schemes

圖6 不同方案泵效率曲線Fig.6 Efficiency characteristic curves of different pump schemes

5 結(jié)論

針對(duì)高速變螺距誘導(dǎo)輪離心泵,通過(guò)對(duì)誘導(dǎo)輪出口參數(shù)的研究,得出以下結(jié)論：

1)誘導(dǎo)輪的出口參數(shù)對(duì)帶誘導(dǎo)輪離心泵抗汽蝕性能有較大影響,而按照常規(guī)泵設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的誘導(dǎo)輪通常具有較大的出口角,此時(shí)并不能獲得最高的抗汽蝕性能。

2)離心輪入口預(yù)旋越小,其不發(fā)生汽蝕所需入口壓力越小,即在滿足離心輪不發(fā)生汽蝕的條件下,誘導(dǎo)輪出口角越小,對(duì)應(yīng)離心輪入口預(yù)旋越小,越能獲得更高的抗汽蝕性能。

3)誘導(dǎo)輪離心泵的水力性能和抗汽蝕性能相互影響,在滿足離心輪不發(fā)生汽蝕的前提下,降低誘導(dǎo)輪出口安放角,會(huì)導(dǎo)致泵的揚(yáng)程和效率略有降低。